采煤機滾筒液壓調(diào)高比例控制系統(tǒng)的數(shù)值模擬

劉春生， 陳金國， 張艷軍

(黑龍江科技學(xué)院 機械工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

采煤機滾筒液壓調(diào)高比例控制系統(tǒng)的數(shù)值模擬

劉春生， 陳金國， 張艷軍

(黑龍江科技學(xué)院 機械工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

為實現(xiàn)記憶截割滾筒調(diào)高曲線的平滑性及減少調(diào)高系統(tǒng)的振蕩，建立了電液比例方向閥調(diào)高系統(tǒng)與電磁換向閥調(diào)高系統(tǒng)的傳遞函數(shù)及其控制器模型，采用Matlab/Simulink與Automation Studio聯(lián)合仿真的方法，分析其系統(tǒng)工作的壓力、流量及加速度特性。仿真結(jié)果表明:電液比例方向閥控制液壓缸調(diào)高系統(tǒng)的壓力、流量及加速度曲線振蕩比電磁換向閥控制的小，明顯地減少了滾筒截割時調(diào)高啟動沖擊，提高了采煤機工作的可靠性，為采煤滾筒調(diào)高控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考依據(jù)。

采煤機;滾筒;調(diào)高系統(tǒng);電液比例控制;Automation Studio仿真

0 引言

目前，大部分采煤機調(diào)高系統(tǒng)采用電磁換向閥控制液壓缸的形式，通過調(diào)控電磁換向閥通斷狀態(tài)實現(xiàn)滾筒記憶調(diào)高。由于工作面頂?shù)装宓牟黄秸?，?dǎo)致采煤機和液壓支架的推溜困難;又由于采煤工作面是一個連續(xù)起伏的平面，電磁換向閥的左、右位需要頻繁互換控制液壓缸活塞的伸縮以帶動搖臂上下擺動，實現(xiàn)滾筒位置高度調(diào)整。這導(dǎo)致液壓調(diào)高系統(tǒng)振蕩。

筆者采用電液比例方向閥控制液壓缸液壓調(diào)高系統(tǒng)的方法，通過電信號控制調(diào)節(jié)閥的開口量，進而控制液壓缸活塞的伸縮。當(dāng)控制信號逐漸增加至閥口全開時，此時電液比例方向閥相當(dāng)于電磁換向閥。采用電液比例方向閥控制液壓缸液壓調(diào)高系統(tǒng)可以保證工作面平整性以及液壓系統(tǒng)穩(wěn)定［1－2］。

1 控制系統(tǒng)

采煤機液壓調(diào)高系統(tǒng)工作原理，如圖1所示。電液比例方向閥調(diào)高系統(tǒng)使用定量調(diào)高泵，通過電液比例方向閥實現(xiàn)比例量控制。油缸內(nèi)安裝位移傳感器或轉(zhuǎn)角傳感器，液壓缸活塞移動時，同時帶動位移傳感器，將液壓缸活塞的機械位移轉(zhuǎn)換成電氣信號。與給定電信號相比較，其偏差量經(jīng)過模糊PID控制器處理后，作為比例放大器的輸入信號。電氣信號經(jīng)過比例放大器，在閥轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換成液壓信號，進而控制比例方向閥主閥芯移動。對于電磁換向閥調(diào)高系統(tǒng)，通過控制閥的開關(guān)時間來實現(xiàn)滾筒調(diào)高。手動控制時，電路中的組合旋轉(zhuǎn)開關(guān)作用于電位器，給出信號同樣經(jīng)過放大器作用于閥，實現(xiàn)滾筒調(diào)高。

圖1 調(diào)高系統(tǒng)原理Fig.1 Height adjusting system principle

2 系統(tǒng)模型

2.1 傳遞函數(shù)

電液比例方向閥調(diào)高系統(tǒng)，通過控制系統(tǒng)中液體的方向和流量，實現(xiàn)液壓缸活塞桿伸縮運動。活塞桿帶動大、小搖臂實現(xiàn)滾筒調(diào)高?？紤]系統(tǒng)主要受到慣性負載及外負載作用，建立調(diào)高液壓缸傳遞函數(shù)［3－5］:

式中:kq——電液比例方向閥流量增益，m2/s;

XV——電液比例方向閥閥芯位移，m;

kce——總流量—壓力系數(shù)，kce=Cip+kc;

kc——流量—壓力系數(shù);

Cip——液壓缸內(nèi)泄系數(shù)，m5/(N·s);

Am=()/2;

A1、A2——調(diào)高液壓缸無桿腔、有桿腔的有效作用面積，m2;

m——折算到液壓缸活塞上的總質(zhì)量，kg;

BP——活塞及負載的黏性阻尼系數(shù)，N·s· m－1;

βe——有效體積彈性模量，Pa;

K——負載彈簧剛度，N/m;

FL——作用在活塞上的任意負載力，N;

XP——液壓缸活塞位移，m;

A0——平均活塞面積，A0=(A1+A2)/2，m2;

L——液壓缸總行程，m;

s——復(fù)變數(shù)。

電液比例方向閥既是電液轉(zhuǎn)換元件，又是功率放大元件。它將小功率的電信號輸入轉(zhuǎn)換為大功率的液壓能輸出，在電液比例控制系統(tǒng)中，連接電氣與液壓兩部分實現(xiàn)電液信號的轉(zhuǎn)換與放大。電液比例方向閥的傳遞函數(shù):

式中:f——電液比例方向閥的固有頻率，Hz;

δv——電液比例方向閥的阻尼比，常取0.5～0.7;

ka——放大器增益，A/V;

kv——電液比例方向閥的增益，m2/s;

U——電液比例方向閥的輸入電壓，V。

根據(jù)液壓缸及電液比例方向閥的傳遞函數(shù)，構(gòu)建電液比例方向閥電液比例位置控制系統(tǒng)方框圖，如圖2所示，其中Ug為給定的輸入電壓，Uf為反饋電壓，E為給定電壓與反饋電壓的差值，通過模糊PID控制器、傳遞函數(shù)(1)、(2)及反饋增益的作用來控制液壓缸活塞的行程。

圖2 電液比例位置控制系統(tǒng)Fig.2 Electro-hydraulic proportional position control system

分析液壓缸活塞對閥輸入位移和負載力擾動的響應(yīng)特征，可見一般位置系統(tǒng)無彈性負載，即K=0;因粘性阻尼系數(shù)BP很小，故Bpkce/A0＜＜A0;當(dāng)采煤機無負載作用時，根據(jù)圖2，整理得到采煤機沒有截割到煤層或巖石時系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)G(s)可近似為

式中:km——反饋增益。

以某型號電液比例方向閥及某機型采煤機為實例，代入各參數(shù)數(shù)值，得到系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為

2.2 數(shù)值模擬

Automation Studio軟件中包括液壓和比例液壓設(shè)計庫、氣動庫、數(shù)碼電子、電氣控制庫等以一系列元件設(shè)計庫。采用庫里的物理元件，能夠仿真模擬各種技術(shù)回路，包括電路控制、氣動、可編程邏輯控制器(PLC)、液壓、順序功能圖(SFC/Grafcet)以及其它多項技術(shù)。測試、模擬、分析技術(shù)回路，可進一步完善、修改液壓系統(tǒng)的設(shè)計。對于已有的實際控制系統(tǒng)，可以根據(jù)工況配置相應(yīng)的參數(shù)如負載、泄漏、熱現(xiàn)象、流體粘度和流動特性等。這可以方便地對已設(shè)計的元件與系統(tǒng)進行分析和優(yōu)化。筆者以Automation Studio為仿真計算平臺，利用液壓和比例液壓元件庫各個模塊，分別對采煤機電液比例方向閥與電磁換向閥液壓調(diào)高系統(tǒng)進行建模仿真。

2.2.1 模型參數(shù)

某型號采煤機技術(shù)參數(shù):定量調(diào)高泵額定流量1.0875 m3/h;液壓缸外徑180 mm，內(nèi)徑為120 mm，行程為460 mm;液壓鎖中安全閥的調(diào)定壓力27 MPa;溢流閥的調(diào)定壓力23 MPa;Control模塊中的比例系數(shù)、微分系數(shù)、積分系數(shù)是通過Matlab-Simulink整定得到的。

2.2.2 仿真模型

圖3 電磁換向閥調(diào)高系統(tǒng)Fig.3 Solenoid directional control valve height adjusting system

電磁換向閥調(diào)高系統(tǒng)，根據(jù)式(1)以及所設(shè)計的模糊控制器，利用 Matlab-Simulink軟件整定得到PID參數(shù)值，如圖3a所示。同理，電液比例方向閥調(diào)高系統(tǒng)，由式(3)、(4)以及所設(shè)計模糊自適應(yīng)控制器，整定得到PID參數(shù)值［6－7］，如圖4a所示。在Automation Studio環(huán)境下，從自帶元件庫中選取雙作用液壓缸、定量泵、電液比例方向閥、電磁換向閥等動力元件、執(zhí)行元件、控制元件以及測量元件。由于控制元件中控制器模塊串口與Matlab中模塊串口不能直接連接，只能通過Matlab選取整定參數(shù)，然后再輸入到Automation Studio中控制器模塊。根據(jù)設(shè)定各元件模型參數(shù)，分別建立電磁換向閥與電液比例方向閥控制采煤機調(diào)高系統(tǒng)仿真模型，如圖3b與圖4b所示。

圖4 電液比例方向閥調(diào)高系統(tǒng)Fig.4 Electro-hydraulic proportional directional valve height adjusting system

3 仿真結(jié)果

在電磁換向閥與電液比例方向閥液壓調(diào)高系統(tǒng)模型中，分別向電磁換向閥與電液比例方向閥輸入一個階躍信號，得到液壓缸進口壓力、流量及加速度曲線。圖5a和5b分別為電液比例方向閥與電磁換向閥調(diào)高系統(tǒng)的液壓缸入口壓力、流量及加速度曲線。

圖5 液壓缸入口壓力、流量及加速度曲線Fig.5 Curves of inlet pressure，flow and acceleration of cylinder

圖5曲線表明:采用電磁換向閥采煤機調(diào)高系統(tǒng)，液壓缸腔內(nèi)壓力的超調(diào)量為4.8%，導(dǎo)致液壓缸腔內(nèi)初始瞬間產(chǎn)生很大的壓力沖擊，振蕩較大;電液比例方向閥調(diào)高系統(tǒng)液壓缸腔內(nèi)壓力超調(diào)量為2.4%，其壓力是平滑上升的，振蕩較小，最終趨于穩(wěn)定。在電磁換向閥調(diào)高系統(tǒng)，初始階段液壓缸腔內(nèi)油壓低，電磁換向閥收到信號時立即啟動，閥口全部打開大量液壓油瞬間進入液壓缸，導(dǎo)致腔內(nèi)油壓突然升高并對液壓缸產(chǎn)生巨大沖擊。而電液比例方向閥的閥口是逐漸打開的，液壓油逐漸進入液壓缸，腔內(nèi)壓力逐漸增大，所以沖擊力較小。流量曲線表明:采用電磁換向閥采煤機調(diào)高系統(tǒng)，其流量的超調(diào)量為66.7%，振蕩較大，增加螺旋滾筒截入巖石的可能性，降低滾筒的可靠性。而電液比例方向閥，其流量的超調(diào)量為16.7%，振蕩較小，提高了滾筒工作的可靠性。電磁換向閥接收信號后立即啟動，液壓油進入液壓缸推動活塞桿瞬間，液壓油推活塞桿受壓，液壓油本身具有彈性，導(dǎo)致反作用于液壓油，使得流量出現(xiàn)多次沖擊。電液比例方向閥具有節(jié)流作用，流量的波動較小。加速度曲線表明:電磁換向閥采煤機調(diào)高系統(tǒng)，加速度振蕩幅度較大，而電液比例方向閥的控制系統(tǒng)的振蕩幅度較小。

結(jié)果表明，電磁換向閥控制液壓缸仿真曲線波動大，振蕩次數(shù)多，給調(diào)高系統(tǒng)帶來巨大的沖擊，引起截割部振動，增加滾筒截巖的可能性，影響調(diào)高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低滾筒的使用壽命。因此，采用電液比例方向閥的采煤機液壓調(diào)高系統(tǒng)，能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及準確性。

4 結(jié)束語

采用Matlab/Automation Studio兩個軟件分析采煤機液壓調(diào)高系統(tǒng)中電液比例方向閥與電磁換向閥啟動時，控制系統(tǒng)中液壓缸流量、壓力及加速度變化情況。該軟件能較好地反映液壓系統(tǒng)的動態(tài)性能，為實際的調(diào)高系統(tǒng)的設(shè)計提供了新的方法。仿真結(jié)果表明，電液比例方向閥比電磁換向閥的控制性能更穩(wěn)定，提高采煤機工作的可靠性。

［1］劉春生，荊 凱，萬 豐.采煤機滾筒記憶程控液壓調(diào)高系統(tǒng)的仿真［J］.中國工程機械學(xué)報，2007，5(2):142－143.

［2］王 欣，宋曉光，滕儒民，等.基于MATLAB高空作業(yè)車電液比例調(diào)平系統(tǒng)仿真研究［J］.機床與液壓，2008，36(4): 162－163.

［3］劉春生，荊 凱，楊 秋.采煤機滾筒調(diào)高截割記憶程控的控制策略［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2007，26(5): 751－752.

［4］劉春生，楊 秋，李春華.采煤機滾筒記憶程控截割的模糊控制系統(tǒng)仿真［J］.煤炭學(xué)報，2008，33(7):822－825.

［5］王春行.液壓控制系統(tǒng)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002.

［6］孫衍石，靳 寶，熊曉燕.電液伺服比例閥控缸位置控制系統(tǒng)AMESim/Matlab聯(lián)合仿真研究［J］.液壓氣動與密封，2009 (3):39－42.

［7］王素青，姜維福.基于MATLAB/Simulink的PID參數(shù)整定［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2009，28(3):25－26.

［8］崔景昆，趙番澤，張學(xué)峰，等.大傾角仰斜綜采工藝在郭二莊礦的應(yīng)用［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2008，25 (3):92－94.

Numerical simulation hydraulic pressure height adjustment proportion control system of shearer’s drum

LIU Chunsheng， CHEN Jinguo， ZHANG Yanjun
(College of Mechanical Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China)

Aimed at realizing the gliding property of cutting memory drum height adjusting curves and the reducing the shaking of height adjusting system，this paper discusses the development of the transfer functions and controller models of electro-hydraulic proportional directional valve and solenoid directional control valve height adjusting system and the analysis of the characteristics of its system working pressure、flow and acceleration using method of co-simulation of Matlab/Simulink and Automation Studio.The simulation results show that height-adjusting system controlled by electro-hydraulic proportional directional valve yields smaller curves shaking of pressure，flow，and acceleration than that controlled by solenoid directional control valve，obviously reducing the height adjusting start impact of drum cutting and improving shearer working reliability，which serves for the design of height adjusting control system of shear drum.

shearer;drum;height adjusting system;electro-hydraulic proportional control;Automation Studio simulation

TD421.61

A

1671－0118(2011)05－0395－05

2011－07－16

教育部科學(xué)技術(shù)研究重點資助項目(206045);國家自然科學(xué)基金資助項目(51074068);黑龍江省研究生創(chuàng)新科研資金項目(YJSX2011－166HLJ)

劉春生(1961－)，男，山東省牟平人，教授，研究方向:機械設(shè)計和液壓傳動與控制，E-mail:liu－chunsheng@163.com。

(編輯晁曉筠)